Michal Bednář | Evo^Tectonics - Bridge to Heaven

Evo^Tectonics

..................................................................................................................................

20.century
"Architecture is art of putting two bricks together"
Mies Van Der Rohe

21.century
"Architecture is putting two bits together"
Karl Chu

..................................................................................................................................

Úvod

Ve své diplomové práci se snažim využít přírodních procesů evoluce. Vytvářím nástroj EvoTectonics, který je založen na růstu, samoorganizovaného soustavou vstupních pravidel. Pro nalezení optimálního řešení nástroj využívá principů evoluce - Evoluční algoritmy.
Tento nástroj se stává genotypem navrhované struktry. Reprezentací tohoto genotypu v daném prostředí vzniká navrhovaný objekt - budova Bridge to Heaven.

genotyp - soubor veškerých genetických informací živého
organismu



Emergence - komplexní systémy - samoorganizace - evoluce

Emergence (z lat. e-mergere, vynořovat se, vyvstávat) znamená spontánní vznik makroskopických vlastností a struktur komplexních systémů, jež není snadné odvodit z vlastností jejich složek. Takové vlastnosti a struktury, jež vznikají z množství poměrně jednoduchých interakcí, se nazývají emergentní. Pojem má velký význam ve filosofii, v teorii systémů a evoluce.

Komplexní systém je systém složený ze vzájemně propojených částí, které jako celek vykazují jednu nebo více vlastností. Tyto vlastnosti jsou emergentní - nejsou jasně viditelné z vlastností jednotlivých částí. Příkladem komplexního systému je třeba mraveniště, lidské hospodaření a sociální struktury, podnebí, nervové soustavy, buňky a živí tvorové, zahrnující lidské bytosti.

Samoorganizace je proces ve kterém vnitřní organizace systému, narůstá v komplexitě bez vedení, nebo řízení vnějším zdrojem. Samoorganizující se systémy vykazují emergentní vlastnosti.

Evoluce - hlediska biologie je to postupný vývoj organizmů. Vzniklo několi evolučních teorií, které se zabývají principy jimiž se evoluce řídí. Dnes se nejčastěji pojmem „evoluční teorie“ rozumí koncepce navazující na Charlese Darwina, v nichž klíčovou roli hraje hromadění nahodilých změn a přirozený výběr.
Ve výpočetních systémech a robotice se termín evoluce používá pro optimalizační metody (Evoluční algoritmy) vycházející s principů biologickou evoluce. Modely evolučních procesů se snaží se využít představ o hnacích silách evoluce živé hmoty pro účely optimalizace. Všechny tyto modely pracují s náhodnými změnami navrhovaných řešení. Pokud jsou tato nová řešení výhodnější, nahrazují předcházející řešení. Evoluční algoritmy se řadí mezi postupy, pomocí kterých se věda v současnosti snaží vytvořit umělou inteligenci - systémy vykazujících známky inteligentního chování.



Algoritmus Evo^Tectonics

Principy algoritmu jsou založeny na výzkumu Evolutionary Body Building:Adaptive physical design for robots (Pablo Furnes and Jordan Pollack). Jeho poznatky a principy jsou převedeny do makroměřítka a aplikovány pro použití v architektuře.


Základní postup aloritmu Evo^Tectonics:
01. dokud nejsou splněny podmínky (cílová fitness hodnota) opakuj sled bodů 02 - 06
02. vyber jedince s nejvyšší fitness hodnotou
03. zmutuj jedince - přidej “cihlu“
04. zpočti fitness hodnotu zmutovaného jedince
(fitness hodnota vyjadřuje vzdálenost struktury k cílovému bodu)
05. I. vytvoř fyzický model a otestuj jej na zatížení
(simulace modelu a statická analýza provedena v programu
Rhinocesros a statickem plug-inu Karamba)
II. zpočti odchylku těžiště struktury od pozice ukotvení struktury

V této fázi se nepodařilo úspěšně synchronizavat aplikaci Processing (programovací prostředí na bázi Java), v které byl napsán algoritmus a software Rhinoceros/Karamba , kde probíhala statická analýza. Data mezi těmito aplikacemi byli posílány prostřednictvým UPD (User Datagram Protocol). Výpočetní možnosti algoritmu však byli značně omezeny touto komunikací a neumožnily spustit program na “plný chod” a dosáhnout tak růstu struktury optimalizované na základě statické analýzy. Pro generování struktury byla tedy použita pouze podmínka odchylky težiště od ukotvení a statická optimalizace struktury byla provedena “manuálně” avšak na základě principu agoritmu. Problém komunikace mezi programy je řešitelný buď vylazením algoritmu s programátorského hlediska anebo vlastním naprogromováním zjednodušené statické analýzy v rámci algoritmu psaného v programovacím prostředí Processing.


http://demo.cs.brandeis.edu/pr/buildable/



Evolutionary structural optimization

Evolutionary structural optimization (ESO) constitutes a method of topology optimization which was pioneered by Y.M. Xie and G.P. Steven. The underlying principle is simple: One starts from a given volume made up from structural elements on predened supports and with preset loads acting on it. Calculating the structural response will show that there are regions which carry more of the external load than others. Now one removes a number of those elements that are least strained and thus least eective in the structure. Again the response of the now thinned out structure is determined and under-utilized elements removed and so on. This iterative procedure stops when a target volume or number of remaining structural elements is reached.

The bidirectional evolutionary structural optimization (BESO) method carries the ideas behind ESO one step further: Instead of always removing structural parts it also reactivates elements during optimization. This takes account of the fact, that an element which got removed in an early stage of optimization may gain importance later on. The default procedure as used in karambas BESO-component consists of the following steps:

1. Deactivate all participating elements by setting their Young’s Modulus to a very small value.
2. Calculate the structural response for given loads and rate the elements according to a user dened criteria.
3. Activate a predened number of the highest ranking elements.
4. Recalculate the structural response and rank elements.
5. Deactivate a predened number of the lowest ranking elements.


http://twl.uni-ak.ac.at/karamba/
http://isg.rmit.edu.au/research_ESO.html



Výroba

Alternativou vůčí klasické výrobě - prefabrikované částí stavby (“cihly“) jsou dovezeny na staveniště a zde pomocí jeřábu montovány - je dynamický process stavby pomocí agentů ROBO-COPTER, které jsou nedílnou součástí budovy. Tito agenti jsou řízeni algoritmem - genetickým kódem stavby a jsou schopni stavbu neustále přestavovat na základě měnících se požadavků uživatele.

http://www.youtube.com/watch?v=JnkMyfQ5YfY









Konzultanti:

Koncept
doc.Ing.arch Miloš Florián, Ph.D. /vedoucí diplomové práce/
Ing.arch Lukáš Kurilla /koncept, object-oriented programming, processing/

Statika
proh.Ing. Jiří Šejnoha, DrSc.
Ing. Aleš Nevařil, Ph.D., /FAST VUT Brno/
Ing. Jiří Chlouba /vysokopevnostní ocel/

Statika nuselského mostu
doc.Ing. Vlastimil Kukaň, Csc. /Katedra betonových konstrukcí - mosty/

Kompozitní materiály
Ing.Jan Vavřík /VATECO/

Doprava
Prof.Ing. Pavel Přibil, Csc /ústav dopravních systémů/

Fyzický model
František Neubauer /Luna Ateliér s.r.o/

Oponent
doc.Ing.arch.Vladimir Šimkovič, CSc.


Zdroje:

Evolutionary body building: Adaptive physical designs for robots / Pablo Funes, Jordan Pollack
http://demo.cs.brandeis.edu/pr/buildable/

Karl Chu - Metaphysics of Genetic Architecture and Computation
http://futurefeeder.com/wp-content/6chuCorr.pdf